冷變形Ti6A14V合金低溫滲氮及時(shí)效組織演變研究.pdf

1、Ti6Al4V(TC4)合金以其比強(qiáng)度高，耐腐蝕性能優(yōu)良的特點(diǎn)在航空航天及海洋工程等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，但是其固有的摩擦學(xué)性能差的缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用范圍。離子滲氮被廣泛采用來強(qiáng)化TC4表面，提高其抗磨損性能，有滲氮速度快、熱變形小、表面滲層和基體結(jié)合好、氮鈦化合物硬度高等優(yōu)點(diǎn)。目前針對TC4合金離子滲氮的研究主要集中在600℃到900℃的高溫區(qū)間，而高溫滲氮會(huì)導(dǎo)致TC4基體內(nèi)晶粒長大，降低其強(qiáng)度和疲勞性能;而600℃以下低溫離子滲氮的研究表明

2、，在此溫度區(qū)間N元素滲入TC4合金的速率非常緩慢，材料表面性能提高十分有限。
　　針對上述問題，本論文提出形變促滲TC4低溫離子滲氮的觀點(diǎn)，并據(jù)此設(shè)計(jì)了具體的形變復(fù)合低溫滲氮工藝。工藝過程為固溶處理—冷軋變形—低溫離子滲氮。此工藝的目的有兩點(diǎn):第一，利用形變促滲強(qiáng)化TC4合金低溫滲氮的效率，使600℃以下低溫滲氮的效果能達(dá)到高溫滲氮的水平;第二，將滲氮溫度設(shè)計(jì)在TC4的時(shí)效強(qiáng)化溫度區(qū)間內(nèi)，預(yù)先對TC4合金進(jìn)行了固溶處理，則滲氮時(shí)基

3、體在時(shí)效溫度下，產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化。因此，復(fù)合工藝在滲氮的同時(shí)還可以增強(qiáng)基體，起到雙重強(qiáng)化的作用。
　　本文通過實(shí)驗(yàn)為固溶處理選擇合適的加熱溫度，根據(jù)塑性性能選擇820℃為固溶處理的工藝溫度。編制多因素工藝實(shí)驗(yàn)，將壓縮變形率、滲氮溫度和滲氮時(shí)間設(shè)為變動(dòng)因素，各因素設(shè)定不同的水平，進(jìn)行滲氮實(shí)驗(yàn)，以探索各因素對滲氮后TC4性能的影響。滲氮溫度的設(shè)定為400℃、500℃及540℃。固溶處理后的試樣，按實(shí)驗(yàn)方案在軋機(jī)上進(jìn)行軋制，之后進(jìn)行滲氮處理

4、。滲氮工藝之外，在500℃及540℃進(jìn)行單純時(shí)效處理的對比實(shí)驗(yàn)，對比實(shí)驗(yàn)的溫度、變形率和保溫時(shí)間的設(shè)定和對應(yīng)的滲氮實(shí)驗(yàn)相同。使用熱力學(xué)軟件計(jì)算滲氮過程中的Gibbs自由能，Ti-N相圖和Ti-Al-N三元相圖，并根據(jù)相圖分析滲氮的平衡組織。使用金相、X射線衍射、顯微硬度、摩擦磨損試驗(yàn)、掃描電鏡和能譜分析、納米壓痕等檢測手段，對各工藝下試樣的滲層、基體組織和抗磨損性能進(jìn)行分析。
　　TC4經(jīng)過復(fù)合滲氮，滲層分為2層:鈦氮化合物層和擴(kuò)

5、散層。在本論文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的多種條件下，鈦氮化合物層厚度穩(wěn)定，厚度始終在1μm左右。擴(kuò)散層厚度隨工藝參數(shù)不同變化較大。
　　分析表明變形對TC4滲氮過程中滲層的形成及其性能有顯著的影響。變形顯著影響滲層擴(kuò)散層的厚度。在540℃/16h工藝條件下，10％變形率試樣的擴(kuò)散層深度為40μm，而50％變形率試樣的擴(kuò)散層深度為60μm，增加50％。
　　形變復(fù)合低溫滲氮工藝取得的硬度增加值ΔH2遠(yuǎn)大于單純滲氮工藝取得的硬度增加值ΔH1，在

6、滲氮溫度為500℃時(shí)，ΔH2/ΔH1可達(dá)231％。因?yàn)樽冃蔚拇贊B作用，低溫下復(fù)合滲氮工藝可得到和高溫滲氮下相當(dāng)?shù)脑嚇有阅?。在?fù)合滲氮工藝540℃/16h/40％(540℃滲氮16h，變形率40％)下得到最高表面硬度值HV661，與700℃/10h的離子滲氮工藝取得的硬度值HV630相當(dāng)。
　　變形對試樣的抗磨損能力有顯著的影響。經(jīng)540℃/8h工藝后，50％變形率試樣，比0變形試樣磨損率下降60％;形變復(fù)合滲氮顯著改善了TC4合金

7、的抗磨損能力，在540℃滲氮時(shí)，試樣磨損率比未滲氮試樣最大下降了84％。
　　形變復(fù)合滲氮后，滲氮試樣內(nèi)部發(fā)生了時(shí)效，組織表現(xiàn)為時(shí)效組織，心部硬度升高。和0變形試樣相比，變形試樣基體保留其變形形成的方向性形貌，組織細(xì)化，組織內(nèi)的時(shí)效析出相更為細(xì)小，最終的硬度較高。滲氮和單純時(shí)效都提高了基體的硬度，滲氮基體的時(shí)效效果和單純時(shí)效對基體的影響相當(dāng)。
　　工藝540℃/22h/50％為多因素實(shí)驗(yàn)中的最佳工藝。在此工藝下，TC4取得較